MXenes，二維過(guò)渡(2D)金屬碳化物/氮化物，由于其氧化還原活性位點(diǎn)的多樣性和快速的電子轉(zhuǎn)移，已顯示出作為陰極催化劑的前景，以加速鋰-硫(Li - S)電池中多硫鋰(LiPSs)的轉(zhuǎn)化。然而，從成千上萬(wàn)的MXenes中有效地篩選出最優(yōu)的陰極催化劑是具有挑戰(zhàn)性的。為了解決這一問題，本論文開發(fā)了一個(gè)模型，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)Li - S電池中限速步驟的熱力學(xué)能量勢(shì)壘。MXene位點(diǎn)的局部化學(xué)反應(yīng)性與末端的p帶中心和亞表面過(guò)渡金屬的電負(fù)性聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)密度泛函理論計(jì)算和純MXenes與摻雜zn MXenes的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，定性驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。利用該模型，我們篩選了大量的MXenes庫(kù)(27種五原子層MXenes)，并確定了Ti
2CS
2、Mo
2CS
2和W
2CS
2作為鋰- S電池的潛在陰極催化劑。
圖1. 本工作的研究方法示意圖。
圖2. 從Li
2S
2到Li
2S的三種可能的反應(yīng)途徑示意圖。
圖3. ΔG與不同MXenes的(a) p帶中心和(b) Δ(p−d)的關(guān)系。(c) Li
2S和Li
2S
2在Ti
2CCl
2、Ti
2CO
2和Ti
2CS
2上吸附的電荷差圖。
圖4. (a)繪制Ti
2CCl
2的態(tài)密度(DOS)、表面p帶中心(?p)以及(b)過(guò)渡金屬的?p和d帶中心(Δ(p−d))之間的能隙。(c)元素周期表中過(guò)渡金屬的泡利電負(fù)性。(d) ΔG與X的關(guān)系(X = ?p + χm)。
圖5. (a) ΔGmin與描述符x的比例關(guān)系。 (b) SRR過(guò)程在實(shí)驗(yàn)和理想MXene電催化劑上的吉布斯自由能。
相關(guān)科研成果由南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Ji-Chang Ren等人于2023年發(fā)表在Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.3c01834）上。原文：E?ective Screening Descriptor for MXenes to Enhance Sulfur Reduction in Lithium−Sulfur Batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
